懸掛式單軌交通供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

肖立君　向光海

摘 要：本文介紹了懸掛式單軌交通的特點，結(jié)合國內(nèi)具體工程，分析了接觸軌和蓄電池兩種供電方案，通過經(jīng)濟(jì)性對比得出了一定結(jié)論，并給出了相關(guān)的建議。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌；供電制式；接觸軌；蓄電池；經(jīng)濟(jì)對比

中圖分類號：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0146-03

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，國家城鎮(zhèn)化步伐加速，城市基礎(chǔ)設(shè)施特別是城市交通設(shè)施與城市化發(fā)展的矛盾逐漸顯現(xiàn)。從各國城市化發(fā)展的實踐來看，通過發(fā)展軌道交通來緩解出行壓力，是解決城市交通擁堵問題的主要措施。

《國務(wù)院關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見（國發(fā)〔2013〕36號）》提出“公共交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。鼓勵有條件的城市按照“量力而行、有序發(fā)展”的原則，推進(jìn)地鐵、輕軌等城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)，發(fā)揮地鐵等作為公共交通的骨干作用，帶動城市公共交通和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”地鐵作為中大運量的軌道交通方式，在中心城區(qū)能夠不受地面環(huán)境影響，快速穿梭在地下，受到大中城市的普遍青睞。但其每公里5-8億元人民幣的造價，需要雄厚的財政支持及大運量的客流基礎(chǔ)。懸掛式單軌（也稱空軌）是一種中小運量的軌道交通方式，作為中小城市的骨干公共交通的同時也是地鐵的補充和延伸，規(guī)劃建設(shè)懸掛式單軌使其與其它公共交通相結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，能更好的完善城市軌道交通運輸體系。

懸掛式單軌列車在空中運行，可以減少對道路資源的占用，同時開辟了新的交通運行空間，在無需擴展城市現(xiàn)有道路設(shè)施的基礎(chǔ)上可緩解城市交通難題，具有投資少、建設(shè)周期短等優(yōu)點，在國內(nèi)具有一定的應(yīng)用前景。懸掛式單軌交通在我國尚處于起步階段，作為軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計人員，希望通過對懸掛式單軌交通供電系統(tǒng)的供電制式和經(jīng)濟(jì)性的初步分析，為今后供電系統(tǒng)制式的選擇提供參考。

1 懸掛式單軌交通特點

懸掛式單軌交通明顯特征是車輛懸掛于帶型軌道梁下方。軌道梁呈箱型，下方開口，車輛走行輪、導(dǎo)向輪等置于梁體腔內(nèi)，車輛通過懸吊裝置懸掛在軌道梁下方行駛。懸掛式單軌交通車輛圖1所示，軌道梁圖2所示。

懸掛式單軌交通橋梁圖3所示，一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)軌道梁下部結(jié)構(gòu)，單線采用倒L形墩柱，雙線采用Y形墩柱。城市道路凈高約為5m，車輛高度約2.6m，為了保證行車安全和滿足行人視覺兩個方面的要求，橋梁高度宜稍大，因此一般地段橋梁下面的凈高約為9.5m。

懸掛式單軌轉(zhuǎn)向架圖4所示，懸掛式單軌每節(jié)車輛裝有兩臺轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、橡膠輪胎、空氣彈簧、枕梁、牽引電機以及懸掛構(gòu)件等裝置組成[1]。懸掛式單軌走行輪在走行軌上豎直平面內(nèi)滾動，負(fù)責(zé)承重、牽引以及制動；導(dǎo)向輪在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，負(fù)責(zé)導(dǎo)向及緩和橫向振動。

懸掛式單軌交通具有幾點優(yōu)勢：（1）投資少、經(jīng)濟(jì)性好：地鐵建設(shè)需要5～8億元/km，輕軌需要3～4億元/km，而懸掛式單軌交通系統(tǒng)的資金投入僅約為1.2～2.0億元/km，懸掛式單軌交通的造價約為地鐵的20%～30%，約為輕軌的40%～50%。（2）施工簡單、建設(shè)周期短：懸掛式單軌施工簡單，軌道梁在工廠中預(yù)制，現(xiàn)場拼裝，既保證了精度又便于施工。施工過程中，主要進(jìn)行地面打孔，挖掘量非常少，因此可以大大縮短建設(shè)工期。20公里左右的線路大約需要2年時間，約為地鐵建設(shè)三分之一的建設(shè)周期。（3）低碳、環(huán)保：懸掛式單軌采用電力驅(qū)動，運行中無廢氣排放。且采用橡膠輪胎，轉(zhuǎn)向架置于軌道梁內(nèi)部，大大降低了運營中產(chǎn)生的噪音污染。

懸掛式單軌交通適用于：連接大城市和衛(wèi)星城之間的主要交通干線；作為城區(qū)通往機場、碼頭、火車站等對外交通樞紐中心的客運交通干線；作為城市風(fēng)景觀光游覽線；用于博覽會、游樂場等短途交通運輸或觀光。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1893年德國人Eugen Langen開始研究懸掛式單軌系統(tǒng)（應(yīng)用于后來的烏帕塔爾市）。1972年，德國聯(lián)邦政府委托西門子公司和多特蒙德大學(xué)對懸掛式單軌進(jìn)行技術(shù)改造，并把這種現(xiàn)代懸掛式列車系統(tǒng)的名稱定為“H-Bahn”[2]。空軌車輛在德國和日本等地有運營線路，目前德國和日本的5個城市，共7條懸掛式單軌線路正在運營。國外部分單軌項目情況表1所示。

懸掛式單軌作為城市公共交通在我國起步較晚。2011年德國H-Bahn國際空列集團(tuán)聯(lián)合中國中鐵寶橋集團(tuán)、中車集團(tuán)等單位，對懸掛式單軌交通系統(tǒng)開展研究。隨著國際空列集團(tuán)的市場推介，國內(nèi)成都、貴州、濟(jì)源、泰安、樂山等城市均已有項目的前期規(guī)劃規(guī)劃和建設(shè)中。截止目前我國尚無已投入商業(yè)運營線路，但已有2條試驗線成功運行。國內(nèi)運行單軌項目情況表2所示。

3 懸掛式單軌供電方案

3.1 基礎(chǔ)資料

以國內(nèi)某懸掛式單軌交通工程為例，對車輛供電采用不同的制式制定相應(yīng)方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析。

（1）線路：全長約6.7km，全部為高架線。（2）車站：設(shè)車站8座，平均站間距900m，最大站間距1700m，最小站間距590m。（3）車輛編組：2輛編組，最高速度50km/h。（4）列車運行交路：近、遠(yuǎn)期均采用單一交路運行，近期高峰小時開行對數(shù)15對，遠(yuǎn)期高峰小時開行對數(shù)20對。

3.2 接觸軌供電方案

3.2.1 牽引供電電壓等級選取

國內(nèi)外采用接觸軌供電制式的懸掛式單軌交通，應(yīng)用的牽引供電電壓等級主要有AC400V、DC1500V、DC750V三種。

在IEC（國際電工委員會）和UIC（國際鐵路聯(lián)盟）的規(guī)定中有600V、750V、1500V、3000V四種直流電壓制和AC25kV、50Hz的一種交流電壓制式。我國GB 50157-2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》、GB/T 3317-2006《電力機車通用技術(shù)條件》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：城市軌道交通車輛的供電制式為DC750V、DC1500V兩種；干線電氣化鐵路的供電制式為AC25kV、50Hz。AC25kV電壓等級適用于城際線或省間等長大距離、大規(guī)?？土鳌⒅剌d的鐵路或城郊軌道交通項目，絕緣距離要求比其它電壓等級明顯大的多，對于距離短、客流量小、車型小，梁體內(nèi)空間小的懸掛式單軌系統(tǒng)，屬于大馬拉小車的情況，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)不合理。國外懸掛式單軌AC400V電壓等級，采用的是三相四線制。根據(jù)我國《地鐵設(shè)計規(guī)范》和《供配電設(shè)計規(guī)范》，AC400電壓等級電動機電壓波動允許范圍為±5%額定電壓。根據(jù)計算，按最大壓降5%控制，AC400V接觸軌按與DC750V接觸軌同等單位電阻計算，對于2輛編組列車，AC400V電源最長供電臂長度為650m（國外資料，AC400V電壓等級供電臂一般長度為500m）。本線平均站間距為900m，因此AC400V電壓等級供電能力不夠，且AC400V電壓等級不是我國軌道交通標(biāo)準(zhǔn)供電電壓等級，因此不推薦采用。DC750V電壓等級在我國輕軌線路和早期地鐵線路應(yīng)用較多；DC1500V電壓等級在我國地鐵項目應(yīng)用比較多?；究梢耘袛鄳覓焓絾诬壗煌ㄓ蠨C750V和DC1500V兩種電壓等級可供選擇。根據(jù)模擬計算，采用DC750V電壓等級，本線正線需設(shè)置2座牽引變電所，一座牽引所解列，另一座牽引所單邊供電距離約3.8km。采用DC1500V，由于本線線路短，正線設(shè)置1座牽引所即具備全線供電能力，但從保證供電可靠性角度，另設(shè)置1座，兩座牽引所相互支援供電。DC750V和DC1500V牽引供電設(shè)備，包括變電內(nèi)設(shè)備、接觸軌等，投資基本相當(dāng)，DC1500V高出不到5%；經(jīng)向車輛廠家咨詢，采用兩種不同電壓等級，均可實現(xiàn)，車輛費用也基本相當(dāng)。

綜上分析，由于本線線路短，采用DC750V電壓等級較為合理：設(shè)備投資少，采用低電壓等級低，絕緣要求低，設(shè)備部件更易選型。

3.2.2 外電源及中壓供電網(wǎng)絡(luò)方案

地鐵外電源供電方式主要有分散式、集中式和混合式三種。懸掛式單軌交通載客量少、車輛編組小、發(fā)車間隔大，宜采用分散式供電方式。根據(jù)潮流計算，僅考慮滿足供電能力，本線設(shè)置1座AC10kV開閉所即可滿足全線負(fù)荷需求。但鑒于空軌懸掛于空中，人員疏散及救援相對地面困難，從安全運營角度建議全線設(shè)置2座開閉所。

目前未有針對懸掛式單軌系統(tǒng)專門的設(shè)計規(guī)范來定義負(fù)荷等級，因此對各類負(fù)荷采用單路電源（單環(huán)網(wǎng)）還是雙路電源（雙環(huán)網(wǎng)）還存在爭議。接觸軌供電方案和蓄電池供電方案采用統(tǒng)一的環(huán)網(wǎng)型式，不影響經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)論。鑒于懸掛式單軌的特殊懸掛型式，參照跨座式單軌供電系統(tǒng)，中壓供電網(wǎng)絡(luò)按雙環(huán)網(wǎng)方案考慮。采用接觸軌供電模式，牽引變電所內(nèi)設(shè)置整流機組，將AC10kV電源轉(zhuǎn)換為DC750V。懸掛式單軌供電系統(tǒng)圖5所示。

3.2.3 車載電池供電方案

目前應(yīng)該用于懸掛式單軌的電池類型為磷酸鐵鋰動力蓄電池，電池位于橋梁腔內(nèi)，置于轉(zhuǎn)向架之間，隨車移動，通過儲存的電能向車輛供電。在車輛基地設(shè)置充電場所，利用充電樁向電池充電。充電樁輸入電壓為AC380V。為充分發(fā)揮蓄電池的儲能特性并充分享受分時電價優(yōu)惠政策，在晚上用電低谷期向蓄電池充電。

按照蓄電池車輛每次充電時間約為1h～2h，每次行駛70km，車公里能耗1.9kWh/節(jié)/km（含再生能量吸收）考慮，同時，為滿足發(fā)車間隔，以增配電池組的方式實現(xiàn)運營時期的列車電能。按3.1節(jié)基礎(chǔ)資料，車輛在正線一個往返需要電能為50kWh。按全日行車計劃，全天全線用電量近期需約6270kWh，遠(yuǎn)期需約8660kWh。

車載電池制式，供電系統(tǒng)不需要向車輛供電，由于充電樁進(jìn)線電源電壓為AC380V，可直接采用AC10/0.4kV配電變壓器供電，因此供電系統(tǒng)不需要配置常規(guī)的牽引供電系統(tǒng)，包括整流機組、接觸軌等，只需配置動照配電網(wǎng)絡(luò)。供電系統(tǒng)構(gòu)成方案如圖6所示。

4 懸掛式單軌經(jīng)濟(jì)性對比

4.1 對比原則

（1）以列舉的線路為例進(jìn)行分析，由于該地電費分時段計費，不同時段電費不同，因此經(jīng)濟(jì)性對比費用除包含設(shè)備固定費用外，還應(yīng)將變動費用（電費）計入。當(dāng)?shù)仉娰M政策表3所示，每度電電池成本暫按照約3000元考慮，國家給予新能源補貼暫按照1700元考慮。（2）費用除一次性投入外，由于設(shè)備壽命不同，更換周期不同，相同時間段內(nèi)綜合投入會不同，因此經(jīng)濟(jì)對比中時間因素應(yīng)考慮在內(nèi)，比較周期統(tǒng)一按30年考慮。（3）完整的供電系統(tǒng)，除牽引變電所、接觸軌、環(huán)網(wǎng)等組成部分外，還包括電力監(jiān)控系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)（含降壓所）等。由于電力監(jiān)控系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)受牽引供電系統(tǒng)方案變化影響不大，因此本節(jié)經(jīng)濟(jì)對比中對于費用相同部分不再列出，僅對比不同部分。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對比

各供電方案綜合經(jīng)濟(jì)對比表表4所示。

上表僅列出了不同項的費用，對于相同項沒有計列；表中費用為30年費用，DC750V供電設(shè)備壽命按30年考慮，電池壽命按5年考慮；“/”前后含義：不考慮電池回收費用/40%殘值回收；（）內(nèi)費用為考慮了國家新能源補貼的費用。

5 結(jié)論及建議

本文以列舉工程為例進(jìn)行分析，通過對采用接觸軌供電、車載電池供電兩種方案的經(jīng)濟(jì)性對比，主要結(jié)論如下：

（1）接觸軌供電方案供電設(shè)備一次性到位，使用周期30年，車載電池每5年一個更換周期，從4.2節(jié)表4中（表中電池供電方案固定費用為30年內(nèi)更換5次后的總費用）可以看出，系統(tǒng)初期投資，車載電池方案費用少。（2）全壽命周期考慮，在沒有國家能源補貼的的情況下，接觸軌供電方案節(jié)省投資。（3）在經(jīng)濟(jì)方面投資相近的情況下，由于接觸軌供電方式更為成熟，會更有優(yōu)勢。（4）本文以某線為例，經(jīng)濟(jì)對比中考慮了該地的分時計費的電費政策，對于其他省區(qū)城市應(yīng)以當(dāng)?shù)仉娰M政策為依據(jù)。（5）接觸軌供電方案中，因?qū)嵗こ陶鹃g距小，采用DC750V更為合理，但對于存在大間距的線路，如超過7km的車站間距，宜考慮采用DC1500V電壓等級，盡量避免設(shè)置區(qū)間牽引所，方便檢修。（6）懸掛式單軌交通電池技術(shù)尚處在不斷自我完善的過程，運營經(jīng)驗尚存在欠缺，充電過程對運營的影響還需要進(jìn)一步的工程驗證，因此，工程實施時需要結(jié)合工程實際情況以及國家的能源政策，最終確定不同方案的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

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